虹吸管在水利工程中的应用.doc

虹吸管在水利工程中的应用 一、虹吸管原理虹吸管是一种压力输水管道，一般顶部弯曲且其高程高于上游供水水面，若在虹吸管内造成真空，使作用在上游水面的大气压强和虹吸管内压强之间产生压差，则水流即能通过虹吸管最高处引向低处。虹吸管顶部的真空值理论上不能大于最大真空值，即10米水柱高。实际上，当虹吸管内压强接近该该温度下的汽化压强时，液体将产生汽化，破坏水流的连续性；故一般不使虹吸管中的真空值大于78米。虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。二、虹吸管的水利计算虹吸管应用的原理比较简单，可广泛应用于水利工程中；在使用过程中必须首先对虹吸管的过流量及安装高程进行复核计算。例：有一小型水库，坝顶宽5米,内、外边坡均为1：2.5,上游水面高程为0米(假设相对高程,以下同), 下游出水口水面高程为-1米, 虹吸管采用钢管制作,直径D=250（见下图）。（一）虹吸管的输水能力计算虹吸管长度一般不大，故应按短管计算，且管道出口淹没在水面以下，为淹没出流。当不计行近流速影响时，可直接用公式Q=cA(2gz)1/2计算流量：先确定值，用满宁公式C=1/nR1/6计算C，对于钢管：n=0.011则R=A/x=D/4C=1/nR1/6=1/0.011(0.25/4)1/6=57.27沿程阻力系数:=8g/C2=89.8/57.272=0.024水头损失系数计算表（其中弯管=【0.131+0.1632(D/)7/2】(/90)1/2）部位滤网底阀弯管1=1125=68弯管2=2125=22弯管3=2125=22弯4=2125=22蝶阀弯管5=1000=90出口合计损失系数440.1150.0650.0650.0650421013216.263管道系统的流量系数:c=1/(L/D+)1/2=1/(0.02455.73/0.25+6.263)1/2=0.293每根虹吸管的输水能力为：Q=cA(2gz)1/2=0.2933.140.1252(29.81)1/2=0.064m3/s(二)虹吸管的最高安装高程计算:虹吸管中最大真空一般发生在管子最高位置。即发生在外坡堤顶弯头前B断面处，具体分析如下：以水库上游水位为基准面，基准面至堤顶弯管中心线的高差为Zs,对基准面断面及外坡堤顶弯头前B断面（如图示）列能量方程0+Pa/ r+1v02/2g=Zs+ PB/ r+v2/2g+(LB/D+B)v2/2g式中, LB为从虹吸管进口至B断面的管长, B为从虹吸管进口至B断面的水头损失系数之和取1v02/2g=0; =1.0则Pa/ r- PB/ r= Zs+ (1+LB/D+B)v2/2g若要求管内真空值不大于某一允许值，即（Pa - PB）/ rhv,式中hv为允许真空值，hv=8 m。则Zs+ (1+LB/D+B)v2/2ghv即Zshv- (1+LB/D+B)v2/2g而hv- (1+LB/D+B)v2/2g=8-（1+0.02428.5/0.25+4.4+0.115+0.065）1.3042/(29.8)=7.28 m式中v=Q/A=0.064/3.14(0.25/2)2=1.304 m/s故虹吸管最高点与上游水面高差应满足Zs7.28 m三、虹吸管的应用(一)、虹吸管在小型水库泄水涵管改造中的应用 小型水库常规采用平斜管（即坝下涵管）输水，其施工方法是对坝体进行大开挖，埋涵管后进行土方回填,这样不但工期长,投资大，而且运行管理方面也有欠缺：一是出水量不能有效控制，会造成浪费。二是在斜管上放、堵水既不方便，也不安全。三是新回填土方与老坝体土方存在沉降差，容易出现土方结合不好，坝体出现不均匀沉降，产生裂缝且破坏后难以维修等现象。采用虹吸管输水则很好的解决了这些问题，虹吸管技术相比传统的破坝修复涵管工艺具有造价低、施工期短、使用灵活、管理方便等特点，而且能节约用水。 若设计灌溉流量按1秒每立米灌溉1万亩农田的标准计算，一组直径D=250虹吸管的过流量为0.064m3/s，考虑旧钢管的流量修正系数K=1.3，则可灌溉农田达490亩左右,基本上可满足灌溉要求,若确实不够,可采取二组或更多组。虹吸管管材采用镀锌焊接钢管，经充水后，打开阀门，出水水流饱满、平顺、管身无振动，使用情况良好，基本能取代坝下涵管。 虹吸管进水口与管顶的安装高度Zs需要考虑真空度余量，一般控制在 7.28m 以下的安装高度，下游出水口低于进水口 1m 以上。 管道在运行中难免有空气跑入管道，在管道最高点应设立一个液气交换箱，该液气交换箱的功能是把跑入管道中的空气与箱中的水体进行交换，一箱 200L 的水一般可维持 3040d 正常使用，箱中水位降至 1/3 左右，可由人工添加箱中水量，保证虹吸管的正常运行。 (二)、虹吸管在防洪抢险及抗旱中的应用汛期由于突降暴雨，造成小型水库水位迅猛抬高，加上运行多年，输水涵管易产生漏水等险情，在无法查明漏水洞进口具体位置的情况下，只好对涵管进口封堵、出口设置反滤体，同时为确保大坝安全，在坝顶设置多组虹吸管，加大排水量，降低库水位，汛后则利用虹吸管引水灌溉。今年，我县白圩乡蛇山水库就出现了这样的情况，由于涵管封堵，放水不出，农田受干，当地老百姓意见很大，因此，采取虹吸管排水就十分突显出它的重要性。本次抢险中，在主坝顶共设置了 一组虹吸管，管材为 PVC-U 塑料管，管内径为 200mm，PVC-U塑料管具有易于切割、安装快速等优点，根据现场情况临时组装铺设，适用性很强， 经测算， 满足农田灌溉要求，取得了非常好的效果。四、虹吸管的施工和质量控制 小型水库中的虹吸管管材一般采用A3 钢板焊接，镀锌处理，穿坝部分则采用热轨无缝钢管，管道所有部件采用焊接，对原有坝下涵管挖除头部，在管道中用压力泵灌满砂浆，彻底封堵截消除隐患。虹吸管的施工必须严格把关，重点是做到整个管道的严密性良好，各种阀门无漏气，保持管道的真空度。 因为管道阀门件、液气交换箱都为现场焊接，管道按设计就位后，对钢管的下半圈的焊接要求立焊，需分多次均匀的焊接，或者采用一些新型的焊接技术，如 CO 2 气体保护半自动焊等工艺。 对阀门的焊接，特别要注意的是电焊产生的高温对阀门内的密封圈产生破坏，一般采用水对阀门进行冷却，使高温不能传导到密封圈。 整个管道安装完成后，必须进行严密性试验和强度检测合格后，才能覆盖，强度检测按相关规范进行，严密性试验采用 5kg 压力。 五、虹吸管应用的条件和运行中应注意的问题： 1 ）虹吸管应用的条件 因受虹吸管真空度的限制，虹吸管的最高点与进水口低水位的高差一般 7.28m ，所以较适用于坝高小于 10m 的水库。若有在坝高 稍大于10m 的水库中应用,采取的方法是坝顶少量开挖,降低顶管高程，控制虹吸管的吸水高度在7.28 m 以下。利用顶管这种方法，应特别注意做好顶管段与大坝防渗体的连接截渗问题，避免在管道周边形成渗流通道。 2 ）应注意的事项和运行管理 虹吸管管材的选择上，应选用优质的 A3 焊接钢管或者无缝钢管。对管道做镀锌处理，保证管道的长期运行抗腐蚀。 对管道的焊接质量要求很高，故必须选择专业的焊接队伍，监理全程旁站监督，并做强度检测和严密性试验。 对于虹吸管安装后，更应注意日常的运行管理。虹吸管对于原坝底泄水涵（管）来说是件新事物，它的启闭是利用阀门控制，对阀门应该注意保养维护，避免日晒雨淋，有助于延长阀门的使用年限。 应该落实专人管理和操作，对管理人员进行培训，使管理员能熟悉和掌握，避免误操作。 一般间隔 15d 左右对虹吸管检查一次，观察液气交换箱水位管的水位，发现水位低于 1/2 时，